一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法技术

本发明专利技术涉及传感器技术领域，且公开了一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法，包括由上至下依次排布呈矩形结构的压力敏感膜层、谐振结构层、硅盖板层和厚玻璃层；所述压力敏感膜层的底部具有空腔，与上表面构成压力敏感膜，所述空腔上设有四个硅岛作为传力放大机构，所述压力敏感膜层上表面制作电极与导线，将来自压力敏感膜的压力传递至谐振梁；谐振器耦合梁采用双折叠耦合梁结构，增大工作模态与其他模态之间的间隔，同时增大谐振器Q值；传力机构采用4硅岛的传力结构，有助于减小硅岛根部的应力，提高芯片的承载能力；采用静电激励/电容检测的激励与检测方案，有助于简化芯片结构与制作工艺。芯片结构与制作工艺。芯片结构与制作工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法


[0001]本专利技术涉及压力传感器
，具体为一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法。

技术介绍

[0002]压力量的检测广泛存在于航空航天、深海探测、工业控制等领域，压力量由压力传感器测得。压力传感器按原理可以分为应变式、电容式、压阻式和谐振式，其中，基于微机电系统技术(MEMS)的硅微谐振式压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好压力传感器。MEMS硅谐振式压力传感器的核心部件为其感压芯片，它的尺寸一般为微米或亚微米量级，采用硅微机械加工工艺制造，通过检测硅微机械敏感谐振器或振动膜的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，适用于远距离传输，信号采集和处理方便。由于工作于机械谐振状态，其精度主要受传感器芯片机械特性的影响，因此还具有信噪比高、抗干扰能力强的特点。除此之外，硅谐振式压力传感器还具有体积小、重量轻、功耗低、频带宽、抗冲击能力强、易于集成化、可批量生产、成本低等诸多优点。
[0003]目前，国外的压力传感器技术性能已达到较高的水平，美国GE Druck公司和法国Thales公司实现了MEMS硅谐振式压力传感器的商业化生产，从小量程气压型到大量程油压型都有完整的压力传感器谱系。我国的硅谐振式压力传感器研究起步较晚，各工业领域的高精度压力测量设备长期被国外公司垄断，国内各大高校和科研机构正在对相关技术进行摸索与探究。目前，航空618所、中科院电子学研究所已经可以进行小量程硅谐振压力传感器的商业化生产，而大量程的硅谐振式压力传感器还鲜有人研究。
[0004]大量程高精度的硅谐振式压力传感器有着良好的市场前景，在深海探测、石油钻井等领域有着广泛的应用。目前，我国高精度的大量程压力传感器市场被国外公司所垄断，Valeport公司所生产的miniIPS系列产品利用带温度补偿的压阻芯片，量程可达1～60MPa，同时精度达到了0.01％FS，拥有可以和谐振式压力传感器相媲美的性能。另外，美国Paroscientific公司生产的石英谐振压力传感器APT Series3000/4000系列在满足0.01％FS精度的情况下量程可以达到276MPa，广泛用于海洋工程领域。GE DRUCK所生产的RPS8000系列硅谐振式压力传感器最大量程可以达到70MPa，同时拥有0.004％FS的精度，同样满足深海探测的需求。国内合肥工业大学做了大量研究工作，主要集中在活塞式压力传感器方面，利用液体可压缩性原理，通过检测内外压力平衡时活塞的位移以及压力膜片的变形来求得外界压力。传感器量程可以做到60MPa，同时具有0.02％FS的精度以及较高的灵敏度，但同样没有规模化生产的报道，因此国内在高精度大量程压力传感器领域存在巨大的空白。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与
制备方法，具备很高的精度与灵敏度的优点，解决了高精度大量程压力传感器领域存在巨大的空白的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片，包括由上至下依次排布呈矩形结构的压力敏感膜层、谐振结构层、硅盖板层和厚玻璃层；
[0009]所述压力敏感膜层的底部具有空腔，与上表面构成压力敏感膜，所述空腔上设有四个硅岛作为传力放大机构，所述压力敏感膜层上表面制作电极与导线，下表面外缘与谐振结构层键合；
[0010]所述谐振结构层包括谐振结构和电极，所述谐振结构由两个锚点和一对谐振梁组成，所述锚点与压力敏感膜上的硅岛键合，将来自压力敏感膜的压力传递至谐振梁；
[0011]所述两谐振梁之间设有一对折叠耦合梁，用于增大谐振梁工作模态与其他模态之间的间隔，同时增大谐振结构等效质量和弹性系数，从而增大Q值；
[0012]所述谐振梁结构与折叠耦合梁结构都处于悬置状态，所述电极包括激励电极和检测电极，所述激励电极的固定梳齿与谐振梁的可动梳齿构成梳齿激励电容；所述检测电极的固定梳齿与谐振梁的可动梳齿构成梳齿检测电容；
[0013]所述硅盖板层的上表面刻蚀出空腔，边缘与谐振结构层键合，用于为谐振器提供真空密封环境；
[0014]所述厚玻璃层与玻璃盖板下表面键合，用于隔离封装应力，同时减小安装底座应力变化对芯片谐振结构的影响。
[0015]优选的，所述折叠耦合梁采用双折叠耦合梁结构。
[0016]通过采用上述方案，来增大工作模态与其他模态之间的间隔，同时增大谐振器Q值。
[0017]优选的，所述压力敏感膜层采用四硅岛的传力结构。
[0018]通过采用上述方案，有助于减小硅岛根部的应力，提高芯片的承载能力。
[0019]优选的，所述电极采用静电激励/电容检测的起振与拾振方案。
[0020]通过采用上述方案，有助于简化芯片结构与制作工艺。
[0021]优选的，芯片主体采用三层全硅结构，应力隔离玻璃采用与硅热膨胀系数相近的硼硅玻璃。
[0022]通过采用上述方案，材料热膨胀系数匹配，有助于减小热应力。
[0023]优选的，所述压力敏感膜膜厚为300μm；所述硅岛高度为70μm；所述谐振结构层厚度为50μm。
[0024]优选的，该芯片的量程为0～30MPa，工作模态频率为25～40kHz，灵敏度为10Hz/Bar。
[0025]优选的，该芯片采用全硅的工艺，通过两次硅硅键合芯片主结构，再通过一次阳极键合连接芯片主结构与底层玻璃。
[0026]一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0027]步骤一：硅片清洗，甩干，并在表面生长氮化硅；
[0028]步骤二：刻蚀硅片，形成凸台、敏感膜以及电极孔结构；
[0029]步骤三：去除氮化硅，对硅片进行清洗，在硅片表面生长二氧化硅层；
[0030]步骤四：将敏感膜层与另一个硅片用硅
‑
硅键合工艺键合在一起，之后进行减薄处理；
[0031]步骤五：使用深干法刻蚀工艺形成结构层；
[0032]步骤六：将密封层与结构层再次进行晶圆级硅
‑
硅真空键合，完成对腔体的密封；
[0033]步骤七：刻蚀敏感膜层背面形成敏感膜；
[0034]步骤八：电极孔镀铝，合金化形成欧姆接触，完成芯片主结构制备方法。
[0035]步骤九：芯片主结构与底层玻璃通过阳极键合连接，完成大量程硅谐振芯片制备方法。
[0036]优选的，上述制备方法工艺采用低温硅硅键合技术。
[0037]通过采用上述方案，有助于减小键合过后的圆片翘曲，提高芯片成活率。
[0038](三)有益效果
[0039]与现有技术相比，本专利技术提供了一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法，具备以下有益效果：
[0040]谐振器耦合梁采用双折叠耦合梁结构，增大工作模态与其他本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片，其特征在于：包括由上至下依次排布呈矩形结构的压力敏感膜层、谐振结构层、硅盖板层和厚玻璃层；所述压力敏感膜层的底部具有空腔，与上表面构成压力敏感膜，所述空腔上设有四个硅岛作为传力放大机构，所述压力敏感膜层上表面制作电极与导线，下表面外缘与谐振结构层键合；所述谐振结构层包括谐振结构和电极，所述谐振结构由两个锚点和一对谐振梁组成，所述锚点与压力敏感膜上的硅岛键合，将来自压力敏感膜的压力传递至谐振梁；所述两谐振梁之间设有一对折叠耦合梁，用于增大谐振梁工作模态与其他模态之间的间隔，同时增大谐振结构等效质量和弹性系数，从而增大Q值；所述谐振梁结构与折叠耦合梁结构都处于悬置状态，所述电极包括激励电极和检测电极，所述激励电极的固定梳齿与谐振梁的可动梳齿构成梳齿激励电容；所述检测电极的固定梳齿与谐振梁的可动梳齿构成梳齿检测电容；所述硅盖板层的上表面刻蚀出空腔，边缘与谐振结构层键合，用于为谐振器提供真空密封环境；所述厚玻璃层与玻璃盖板下表面键合，用于隔离封装应力，同时减小安装底座应力变化对芯片谐振结构的影响。2.根据权利要求1所述的一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述折叠耦合梁采用双折叠耦合梁结构。3.根据权利要求1所述的一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述压力敏感膜层采用四硅岛的传力结构。4.根据权利要求1所述的一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述电极采用静电激励/电容检测的起振与拾振方案。5.根据权利要求1所述的一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片，其特征在于：芯片主体采用三层全硅结构，应力隔离玻璃采用与硅热膨...

【专利技术属性】
技术研发人员：申建武，李亨，赵虎，王淞立，
申请(专利权)人：西安思微传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：